COREX預還原豎爐煤氣停留時間分布的數值模擬

張麗娟，周 恒，張 濤，游 陽，羅志國，鄒宗樹

(1.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819;2.寶山鋼鐵股份有限公司人才開發院，上海 200941)

COREX熔融還原煉鐵工藝是奧鋼聯開發的一種用煤和球團(塊礦)生產鐵水的非高爐煉鐵工藝，具有非焦煤冶煉，環境友好的特點［1，2］.與傳統高爐相比，COREX預還原豎爐鼓風條件、布料形式、爐型結構等不盡相同，所以爐內煤氣停留時間分布必然呈現出與高爐不同的特征.雖然高爐內煤氣流動及停留時間分布研究較多［3～6］，但關于COREX預還原豎爐的研究較少.寶鋼引進的COREX－3000預還原豎爐的平均直徑由COREX－2000的6.67 m增加至8.2 m，反應器尺寸的加大使爐內煤氣流動愈偏離理想流動狀態.2#COREX－3000預還原豎爐在原1#豎爐基礎上安裝了AGD梁，利用爐料下行運動過程中在梁下方自發形成的無爐料煤氣通道，將煤氣導入豎爐中心.AGD梁的安裝進一步改變了煤氣的初始分布，直接影響了爐內煤氣停留時間分布.因此，有必要對COREX預還原豎爐中煤氣停留時間分布進行研究.

本文建立三維、不可壓縮、穩態下還原煤氣在COREX預還原豎爐內停留時間分布的數學模型，考察AGD梁對爐內RTD曲線的影響，并研究不同熔煉率下COREX預還原豎爐內的RTD變化情況，同時給出不同條件下爐內流動特性參數變化，為指導COREX豎爐實際生產提供理論依據.

1 數學模型建立

1.1 控制方程

COREX預還原豎爐為氣－固逆流反應器，相對于氣體流速而言，固體爐料的下降速度很小，故可將爐內爐料近似為固定床，并且忽略氣－固化學反應對氣體流場的影響.描述煤氣流動的基本方程包括連續性方程、動量方程、湍流模型及濃度方程.

1.2 邊界條件及算法

COREX熔化氣化爐產生的還原煤氣經冷卻、除塵后通過豎爐圍管導入爐內，但部分高溫煤氣通過氣化爐穹頂的DRI螺旋下降管反竄進入豎爐，形成反竄煤氣.因此，將預還原豎爐的煤氣入口設為壓力入口，其中圍管煤氣入口表壓為360 kPa，DRI下降管煤氣入口表壓為365 kPa.豎爐頂部煤氣出口為速度出口.COREX預還原豎爐爐型結構及網格劃分如圖1所示，兩者最大區別是圍管區AGD梁的安裝以及頂部煤氣出口的改變.方程求解借助商業軟件FLUENT，壓力－速度耦合采用SIMPLE算法，控制方程的離散采用一階迎風模式，收斂標準殘差小于10－4.

1.3 RTD曲線分析方法

COREX預還原豎爐內還原煤氣的流動模式為偏離活塞流及全混流這兩種流動狀態的非理想流動狀態，其中，1#COREX預還原豎爐頂部煤氣出口為單一出口，因此，COREX預還原豎爐RTD曲線分析模型可借鑒中間包中流體流動特性分析方法［7～10］，本文采用經典組合方法.

2#COREX－3000預還原豎爐在1#爐基礎上進行了改裝，其頂部煤氣出口為兩個，因此2#COREX預還原豎爐流體流動特性描述方法借鑒多流中間包總體RTD曲線分析方法［11，12］.

2 模擬結果與討論

2.1 AGD梁對RTD曲線的影響

圖1 網格劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of the grid

圖2 1#及2#COREX預還原豎爐停留時間分布密度函數Fig.2 Density of residence time distribution of 1#and 2#COREX shaft furnace

圖2為COREX－3000預還原豎爐頂煤氣(標準態)單耗1 050 m3/t，熔煉率150 t/h條件下，安裝AGD前后，還原煤氣停留時間分布密度函數.由圖2可知，豎爐內的煤氣流型為活塞流、全混流和死區的組合流動，且出現兩個示蹤劑濃度的峰值，分別為圍管煤氣和反竄煤氣內的示蹤劑到達監測面所致.隨著AGD梁的安裝，第一峰高度增高，分布變窄，第二峰高度降低且分布變寬，曲線整體寬度變寬.

其中，第二峰為豎爐底部下料管反竄煤氣在檢測面的信息，其主流微元通過流體系統的時間增長.2#COREX預還原豎爐AGD梁的安裝能抑制底部下料管煤氣反竄比例［13，14］，在頂部煤氣流量不變條件下，其底部反竄煤氣入口速度將變小;因此，第二峰出峰時間較1#COREX預還原豎爐長.2#COREX預還原豎爐煤氣停留時間分布描述方法借鑒多流中間包總體RTD曲線分析方法.由圖可知，2#COREX豎爐總體RTD曲線和各出口RTD曲線形態相差較小，主要原因是2#COREX豎爐頂部兩煤氣出口為對稱布置，檢測得到的微元停留時間分布相一致.

表1為COREX－3000預還原豎爐加裝AGD梁前后爐內流動特征參數.由表可知，豎爐安裝AGD梁后其煤氣平均停留時間減小，但減小幅度較小.究其原因是，AGD梁的安裝使爐內圍管煤氣比例增大，圍管水平煤氣平均速度增大，因此第一峰的出峰時間較早.但整體考慮豎爐底部反竄煤氣影響，其煤氣平均停留時間減小幅度較小.從表還可以看出，隨著AGD梁的安裝，無量綱方差σ2變大.無量綱方差是用于度量隨機變量與均值的偏離程度，它與流型一一對應，在活塞流的情況下，方差最小;而在全混流的情況下，方差最大.因此，COREX預還原豎爐內的煤氣流動為非理想流動，且隨著AGD梁的安裝，無量綱方差變大，與活塞流的偏差越大.主要原因是圍管處還原煤氣可通過AGD梁下方煤氣通道進入豎爐中心，增加了豎爐內煤氣的反混現象，從而使流型偏離理想活塞流.2#COREX豎爐各出口表征的爐內流動特征參數與總體方法得出的流動特征參數相差不大，這主要是由于豎爐頂部兩煤氣出口的對稱布置所致.

表1 AGD梁對爐內流動特征參數的影響Table 1 Effect of AGD beams on the flow characteristics parameters in furnace

2.2 頂煤氣單耗對RTD的影響

圖3為不同熔煉率下COREX預還原豎爐煤氣停留時間分布密度函數.圖4、圖5分別為平均停留時間、無量綱方差隨熔煉率的變化圖.從圖中可以看出隨著熔煉率的升高，峰值高度逐漸升高，平均停留時間逐漸降低，無量綱方差逐漸增大.導致上述結果原因有:一是在COREX預還原豎爐內還原煤氣主流微元在爐內滯留時間相應減小，所以平均停留時間減小;二是隨著熔煉率的升高，煤氣入口氣量增大，煤氣出口的動量增大，爐內煤氣的混合程度變大，流型愈偏離理想活塞流，所以無量綱方差逐漸增大.

圖6為COREX預還原豎爐內死區體積分數隨熔煉率的變化圖.死區指的是在此區域內的流體運動得相當慢，結果流體在容器中停留了相當長的時間.為描述不同熔煉率下爐內死區體積分數，本文以150 t/h熔煉率對應的平均停留時間的兩倍為基準.由圖可知，隨著熔煉率的升高，爐內死區體積分數逐漸降低.其中，1#COREX預還原豎爐降低幅度較大，當熔煉率從150 t/h提升到180 t/h時，爐內死區體積分數從10.9%降到3.48%，降幅為68.1%.2#COREX預還原豎爐死區體積分數降幅較小，僅為15.52%.主要原因是由于2#COREX預還原豎爐AGD梁的安裝，改變了煤氣初始分布，大部分還原煤氣通過AGD梁下方通道進入豎爐.增大熔煉率時，導氣槽出口還原煤氣速度增量較1#COREX預還原豎爐低，因此對豎爐下部死區體積影響較小，COREX豎爐死區體積分數降幅較小.

3 結論

(1)基于中間包流體流動特性經典組合方法分析得到1#COREX預還原豎爐的RTD分布，并借鑒多流中間包總體分析法得到2#COREX預還原豎爐內的流動特性參數.

(2)隨著COREX－3000預還原豎爐內AGD梁的安裝，爐內煤氣平均停留時間變小，停留時間分布密度函數變寬，無量綱方差變大，流型偏離理想活塞流.同時，AGD梁的安裝，增大了爐內死區體積分數.

圖3 不同熔煉率下停留時間分布密度函數Fig.3 Density of residence time distribution with different melting rate

圖4 不同熔煉率下平均停留時間分布Fig.4 Average residence time with different melting rate

(3)隨著COREX預還原豎爐熔煉率的增大，煤氣平均停留時間減小，無量綱方差變大.當熔煉率從150 t/h增長到180 t/h時，爐內死區體積分數降低，其中1#COREX豎爐降幅為68.1%，2#COREX豎爐降幅僅為15.52%.

圖5 不同熔煉率下無量綱方差分布Fig.5 Variance of residence time distribution

圖6 不同熔煉率下死區體積分數Fig.6 Volume fraction of dead zone with different melting rate

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